VIBRACIONES Y ONDA AREA PRODUCIDAS POR

VOLADURAS.

1 RESUMEN

Las voladuras son una forma de generacin de vibraciones y onda area, comn en la actividad de construccin de obra civil, extraccin de materiales (canteras y minas) y demoliciones. El conocimiento de su origen, los fenmenos asociados a su transmisin, la medicin de sus magnitudes fundamentales y la legislacin que las regula sirven para controlarlas, reducirlas y hacerlas imperceptibles tanto para las personas como para las estructuras cercanas que, eventualmente, podran verse afectadas por ellas. En este sentido, existen nuevas tcnicas de diseo de voladuras y accesorios explosivos para obtener los resultados deseados.

En la actualidad, la ejecucin de voladuras para el arranque de rocas de dureza media y alta es una tcnica insustituible en los grandes proyectos de minera y obras civiles; su empleo tambin es general en la mayor parte de proyectos de menor tamao, aunque los terrenos que se excaven estn cercanos a edificaciones. La razn fundamental es que est tcnica contina siendo la ms barata y la que permite obtener mayores producciones de material arrancado (superiores a cualquier medio de arranque mecnico alternativo: martillos demoledores, rozadoras, excavadoras hidrulicas o tractores). Uno de los principales inconvenientes de su utilizacin es que, como consecuencia directa de su uso, se produce la generacin de vibraciones en el medio circundante (adems de otras afecciones medioambientales, tales como ruido, onda area, polvo y proyecciones); estas afecciones no son particulares de las voladuras, ya que los medios mecnicos tambin las generan en mayor o menor medida y con magnitudes distintas /y no siempre menores y de menor riesgo) en cuanto a duracin, amplitud, frecuencia, etc.

2 VIBRACIONES

2.1 VIBRACIONES GENERADAS EN VOLADURAS

Con objeto de regular y controlar las vibraciones generadas por voladuras, en Espaa existe una legislacin detallada al respecto, que define, limita y da pautas de actuacin respecto a las vibraciones generadas por ellas. Esta legislacin espaola es similar a la del resto de pases del entorno, con criterios generales similares y alguna particularidad propia de cada pas.

As mismo, se han desarrollado una serie de tcnicas de cuantificacin de las vibraciones, que han permitido, a su vez, definir tcnicas de reduccin, algunas basadas en el diseo de las voladuras propiamente dicho y otras en los productos explosivos y los accesorios de voladura (fundamentalmente, detonadores secuenciados). Los avances en los ltimos aos han sido notables, logrndose la ejecucin de voladuras en terrenos colindantes a edificaciones sensibles sin ningn tipo de afeccin a las estructuras ni molestias a las personas.

Esto ltimo, unido a las ventajas econmicas en cuanto a coste y rendimientos de las voladuras frente a los medios mecnicos, asegura el empleo de esta tcnica en unas condiciones favorables tanto para el contratista que ejecuta la obra o el operador de la explotacin minera como para la vecindad de las mismas.

En este captulo se citan de modo genrico unos conceptos tericos sobre la generacin, transmisin y amortiguacin de vibraciones producidas por voladuras que pueden ser tiles para la comprensin general del presente artculo.

2.1.1 DESCRIPCIN DEL FENMENO VIBRATORIO

Se entiende por vibraciones un fenmeno de transmisin de energa mediante la propagacin de un movimiento ondulatorio a travs de un medio. El fenmeno de vibraciones queda caracterizado por una fuente o emisor, esto es, un generador de vibraciones, y por un objeto o receptor de las mismas. El fenmeno de las vibraciones se manifiesta mediante un movimiento ondulatorio. En el caso de las vibraciones generadas en voladuras, se trata de unas ondas que se generan en el interior de la corteza terrestre, como consecuencia de la detonacin del explosivo, y que se propagarn por el terreno circundante, aunque puede propagarse tambin por el aire (en el caso de voladuras a cielo abierto)

2.1.2 GENERACIN DE ONDAS SSMICAS POR VOLADURAS

La detonacin de una masa de explosivo confinada en el interior de un barreno localizado en un macizo rocoso genera de una forma casi instantnea un volumen de gases a una presin y temperatura enormes. Esta aparicin brusca de una presin elevada sobre las paredes del barreno acta como un choque o impacto brusco, que se manifiesta en forma de onda de deformacin a travs de la masa en torno al barreno. Esa onda de deformacin/tensin trasmitida es cilndrica, en el caso de carga cilndrica distribuida en el barreno, o esfrica, en caso de carga puntual o esfrica, aunque a considerable distancia del barreno con relacin a su longitud puede considerarse la explosin reducida a un punto y en consecuencia la onda de propagacin como esfrica. En definitiva, la tensin soportada por un elemento material ser funcin inversa de la distancia.

Se puede admitir que la transmisin de la vibracin a partir de una distancia de barrenos relativamente pequea es en forma prcticamente elstica, mediante ondas bsicamente elsticas, con despreciable consumo de energa y que su amortiguacin se debe eminentemente al aumento de la superficie del tren de ondas (cilndrico o esfrico).

De forma simplificada, la energa vibratoria es proporcional a la cantidad de explosivo:

E = p x Q

donde:

E es la energa vibratoria, es decir, la invertida en vibracin

Q es la energa total del explosivo (que depende de la cantidad de explosivo detonada y del poder energtico del mismo, ya que no todos los explosivos tienen la misma energa)

p es la proporcin de energa total del explosivo empleada en generar vibraciones (en voladuras convencionales en las que no existe gran confinamiento, este valor es de 0.4, aproximadamente)

Estudios realizados han demostrado que la energa ssmica de alta frecuencia es absorbida ms rpidamente que la de baja frecuencia, de modo que la energa contenida en las ondas ssmicas estar ms concentrada en intervalos correspondientes a bajas frecuencias a medida que nos alejamos del foco generador.

2.1.3 MEDIDAS DE VIBRACIONES PRODUCIDAS POR VOLADURAS

Es preciso hacer aqu una distincin entre aspectos bien diferenciados del fenmeno de la vibracin. Uno de ellos es la propagacin o transmisividad de la vibracin por el medio y otro es el movimiento propio que el paso de la vibracin genera en las partculas del medio. Cabe entonces diferenciar entre dos tipos de velocidades:

1. Velocidad de onda o de propagacin o aquella con la que la vibracin se propaga por el medio.

2. Velocidad de partcula o aquella relativa a las oscilaciones que experimenta la partcula, excitada por el paso de la onda de energa vibratoria.

Como ya se ha dicho, una partcula sometida a una vibracin, experimenta un movimiento oscilante del que sus parmetros medibles pueden ser desplazamiento, velocidad, aceleracin de partcula y la frecuencia del movimiento ondulatorio; su duracin tambin tiene cierta importancia de cara al anlisis de sus consecuencias sobre estructuras y personas. Universalmente se toma la velocidad de vibracin como el que mejor representa el nivel de vibracin y daos producidos, para edificaciones. No obstante es imposible hoy da establecer un criterio fiable que no considere las frecuencias dominantes en la vibracin. Las vibraciones reales no se corresponden a un movimiento armnico puro, pero cualquier seal recibida por el captador se puede representar como la suma de una serie de movimientos armnicos individuales, que se conoce con desarrollo en serie de Fourier de la seal.

2.1.4 LEY DE TRANSMISIVIDAD

De forma genrica, el nivel de vibracin recibida en un punto, expresado como valor de velocidad de vibracin V, es funcin directa de la carga de explosivo empleado Q, e inversa de la distancia D entre el punto de disparo y el punto de registro. Esto se puede expresar de forma genrica:

V = K Q D

siendo:

V = Velocidad de vibracin (mm/s) Q = Carga de explosivo (kg) D = Distancia (m)

K, y son constantes que engloban la geologa del terreno, la geometra de las cargas, las diferencias de cota entre los puntos de disparo y de medida, el tipo de propagacin, el nivel de aprovechamiento de la energa en generar vibraciones, etc.

Debido a la naturaleza de por s irregular de los terrenos (presencia de distintos tipos de materiales, presencia de grietas y fisuras naturales con o sin relleno, con o sin agua) as como por la variabilidad en la cantidad de energa empleada en generar vibraciones en las voladuras, la obtencin de estas expresiones matemticas se hace mediante ensayos, que constituyen lo que se llama un estudio de vibraciones.

Por lo tanto, uno de los objetivos de un estudio de vibraciones es hallar el valor de las

constantes K, y a travs de un ajuste mnimo-cuadrtico, realizado con los valores V, Q y D tomados en los ensayos.

El coeficiente de correlacin r va a indicar si los puntos (V, Q, D) se ajustan a una ley o no. Dicho coeficiente alcanza el valor mximo 1 cuando los puntos se ajustan perfectamente a la ley y es 0 cuando los puntos se encuentran caticamente repartidos.

Con objeto de tener una idea visual del ajuste de los puntos al plano, se representan en una grfica de escalas logartmicas los valores de V frente a los de Dr:

Dr = D/Q /

Dado que:

log V = log K - log(D/Q / )

La representacin de dichos puntos ha de tomar una forma aproximadamente rectilnea.

2.1.5 ANLISIS DE FRECUENCIAS

La peligrosidad con respecto a una estructura de una vibracin no est dada solamente por el valor pico de dicha vibracin, sino tambin por la frecuencia de la misma. La peor situacin se producira cuando la frecuencia de la onda que va a excitar una determinada estructura es igual a la frecuencia, o a una de las frecuencias de resonancia de dicha estructura. En este caso se produce la mxima absorcin de energa por parte de la estructura y hay mayor probabilidad de que se puedan causar daos en la misma.

Por este motivo es muy importante determinar claramente cules son las frecuencias que participan en el tren de onda generado por la voladura. Este tren de ondas puede contener frecuencias diferentes y, de hecho, cualquier tren de ondas se le puede asimilar a la suma de una serie de armnicos de diferentes frecuencias. Para calcular cules son las frecuencias que ms dominan en un tren de ondas generado por una voladura, uno de los mtodos que se aplica habitualmente es el hallar el espectro de frecuencias del mismo con el procedimiento de FFT. El espectro de frecuencias permite determinar la frecuencia o frecuencias predominantes o principales de dicha onda.

2.2 NORMATIVA DE CONTROL DE VIBRACIONES

En todos los pases del entorno europeo y en la mayor parte de pases desarrollados existen normativas especficas que regulan las vibraciones generadas por voladuras, proponiendo criterios de limitacin de las mismas y, ocasionalmente, marcando pautas sobre qu hacer en caso de realizar un proyecto que lleve implcito el uso de esa tcnica.

2.2.1 NORMATIVA. UNE 22.381.93

En Espaa, la eleccin del criterio de prevencin de daos y, por consiguiente, la velocidad de vibracin lmite que se imponga, ha de ser fijada de acuerdo con la normativa vigente (ITC 10.3.01, Voladuras Especiales del RGNBSM), por la autoridad competente. Dicha velocidad de vibracin lmite vara fundamentalmente con la frecuencia de vibracin.

Dicha ITC hace referencia a la Norma UNE 22.381.93 Control de Vibraciones producidas por Voladuras. Esta Norma est estructurada en una serie de contenidos que permiten describir, limitar y estudiar las vibraciones producidas por las voladuras, de tal manera que facilitan tanto el trabajo de la ejecucin del proyecto de voladuras como de la interpretacin y evaluacin del mismo por parte de la Autoridad Minera competente.

En primer lugar, la norma define los parmetros fundamentales de la vibracin y cmo calcularlos:

velocidad pico, entendiendo como tal la amplitud mxima de la componente principal de la onda de vibracin, expresada en trminos de velocidad de vibracin y medida en mm/s.

frecuencia principal, siendo sta la obtenida de aplicar el criterio del semiperiodo a cada uno de los ciclos de la vibracin, la de mayor amplitud relativa resultante de aplicar la FFT a la onda o la que resulta de obtener el pseudoespectro de respuesta para la estructura estudiada.

A continuacin, distingue tres grupos de estructuras de origen antrpico:

Estructura Grupo I Estructuras industriales. Estructura Grupo II Viviendas. Estructura Grupo III Monumentos y estructuras delicadas.

El resto de estructuras estn excluidas de la norma y precisan un tratamiento particular en cuanto a la definicin del lmite o lmites de la vibracin, bien de forma explcita o bien en forma de variacin de la velocidad con la frecuencia, desplazamiento o aceleracin mximos, etc.

Para cada tipo de edificio y en funcin de la frecuencia, se tiene una velocidad lmite de vibracin, que crece proporcionalmente con sta. En la Figura 1 se recoge el baco y la tabla que representan el citado criterio de limitacin de vibraciones.

Figura 1.- Criterio de limitacin de vibraciones de la norma UNE

A continuacin, la norma define el tipo de estudio requerido en funcin de la carga de explosivo que se vaya a detonar y la distancia entre el punto de disparo y la estructura a preservar. Aqu se introduce el concepto de carga operante, que es la carga instantnea mxima que se detona en la voladura, entendiendo por instantnea la que esta secuenciada de las dems (con detonadores secuenciadores de microrretardo) menos de 8 milisegundos. Es importante no confundir sta con la carga total detonada en la voladura, ya que la segunda suele ser mucho mayor; el empleo de detonadores secuenciadores es una prctica habitual en la actualidad.

Los tres tipos de estudios que pueden requerirse son:

Proyecto tipo: el de menor nivel de exigencia, consiste en una justificacin terica, obtenida por la aplicacin directa de la norma, de que los niveles de vibracin no van a alcanzar en ningn caso los lmites establecidos.

Control de vibraciones: de grado intermedio, se trata de una medicin real en las primeras voladuras del proyecto, con objeto de delimitar las vibraciones generadas.

Estudio Preliminar: el ms estricto, se aplica cuando se prevn alcanzar niveles superiores a los definidos por la norma; consiste en la obtencin de la ley de transmisividad del terreno donde se va a ejecutar el proyecto mediante ensayos reales (disparo de cargas y medida de vibraciones)

En la Figura 2 se recoge el baco que representa el criterio de seleccin del tipo de estudio requerido por la norma. Se observa cmo la norma distingue tres tipos de rocas (blanda, Vp menor de 2000 m/s; media, Vp entre 2000 y 4000 m/s; dura, Vp mayor de 4000 m/s; Vp es la velocidad de transmisin de las ondas ssmicas del tipo P a travs de la roca), con lo que est considerado en ella el diverso comportamiento en cuanto a amplitud y en cuanto a frecuencia de los distintos tipos de roca.

Haciendo una lectura inversa de este baco, es posible obtener una tabla de cargas/distancias para cada tipo de material (blando, medio o duro), segn el tipo de estudio que se prev realizar y en funcin del lmite de vibraciones aplicable.

Figura 2.- Criterio de seleccin del estudio requerido de la norma UNE

Por ltimo, la norma define el tipo de instrumentacin que debe emplearse en la medida de vibraciones generadas por voladuras y cmo deben medirse. Los requerimientos bsicos son la frecuencia de muestreo, la resolucin, la capacidad de almacenamiento y anlisis de las vibraciones, la capacidad de medir en las tres componentes del movimiento, etc. Evidentemente, estas caractersticas estn adaptadas a los rdenes de magnitud normales de las voladuras: frecuencias de 2 a 200 Hz, amplitud de 1 a 100 mm/s, etc.

Esta norma est considerada por la Administracin competente en temas de minera y obra pblica y por las empresas que realizan voladuras en Espaa como una herramienta til y clarificadora de las circunstancias que envuelven a las vibraciones generadas por

las voladuras, definiendo clara y explcitamente las limitaciones y los criterios aplicables en cada proyecto.

2.3 MEDICIN DE VIBRACIONES EN VOLADURAS

A continuacin se repasan brevemente los dispositivos empleados (los sensores, ya que los equipos de registro suelen ser comunes, salvo por la frecuencia de muestreo y la capacidad de almacenamiento) y las magnitudes que stos miden:

Medidores de velocidad de vibracin: de tipo electrodinmico, denominados gefonos en lenguaje comn, son los sensores ms extendidos en la medida de vibraciones en voladuras. Se trata de equipos fiables (se descorrigen muy poco) y baratos, y su respuesta a la vibracin es directamente proporcional a la velocidad de vibracin; habida cuenta que la mayor parte de los criterios de vibraciones internacionales se expresan en trminos de velocidad de vibracin, resultan muy prcticos. Su respuesta en frecuencia es algo alta para las frecuencias que interesa medir en voladuras, comenzando su zona de respuesta lineal a 4.5 Hz; el empleo de filtros digitales permite llegar a reducir a 2 Hz e, incluso, a 1Hz el comienzo de la zona lineal.

En cuanto al equipo de registro y anlisis, es preciso que sea de registro continuo, preferentemente de tipo digital, con una frecuencia de muestreo alta (al menos 1 KHz), que analice las ondas en trminos de valores pico y frecuencia predominante (u otros anlisis de frecuencias, como el del semiperiodo, FFT, pseudoespectro de respuesta, etc), que permita la aplicacin de los distintos criterios de las normas internacionales, etc. Otra caracterstica importante es su robustez, ergonoma, comodidad de uso, capacidad de registro y autonoma, dado que el tipo de trabajo para el que se va a emplear suele ser duro.

Una circunstancia que debe tenerse en cuenta es la calibracin peridica del equipo, con objeto de asegurar su fiabilidad y fidelidad de medicin. Algunos equipos de tipo electrodinmico realizan una autocalibracin en cada medicin, consistente en realizar el proceso inverso a la medicin de vibraciones: un circuito electrnico inyecta una corriente al sensor, que reacciona con un movimiento proporcional a la misma; esto permite su autoajuste.

2.3.1 CONTROLES DE VIBRACIONES

Como se indic en puntos anteriores, un control de vibraciones consiste en la medicin puntual de las vibraciones generadas por una voladura, en un punto concreto que sea de inters, con objeto de comparar los niveles medidos con los lmites definidos por la normativa, o bien para efectuar correcciones de la carga operante de la voladura. Se trata de un proceso bsico, pero que permite disponer de datos reales sobre la transmisividad, la amplitud y la frecuencia real.

2.3.2 ESTUDIOS DE VIBRACIONES

Un paso ms en el conocimiento real del fenmeno vibratorio de las voladuras es la obtencin de la ley de transmisividad del terreno mediante la ejecucin de un estudio de vibraciones. Este consiste en la ejecucin de ensayos reales (disparo de cargas de distinta magnitud, midiendo las vibraciones generadas a distintas distancias) que proporcionan una gran cantidad de informacin real sobre la generacin, transmisin, amortiguacin, filtrado de frecuencias, superposicin de ondas, etc. El tratamiento estadstico de toda esta informacin permite la obtencin de modelos de prediccin de los distintos parmetros de la vibracin, y su relacin con las caractersticas bsicas de diseo de las voladuras: carga operante, carga total, secuencia de disparo de los distintos barrenos, etc. En la Figura 3 se ha representado la ley de amortiguacin obtenida para

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una explotacin; en ella se observan las medidas realizadas (los puntos del grfico), as como las diversas rectas que representan la ley de amortiguacin del terreno estudiado.

Por ltimo, esos modelos permiten la obtencin de una herramienta muy til para el diseo posterior de voladuras que eviten las molestias a personas o los daos a estructuras. Esta es la tabla carga-distancia, que define la carga operante que puede dispararse segn la distancia entre el punto de disparo y el de registro para un criterio de limitacin de la velocidad de vibracin establecido (ste no tiene porqu ser constante, ya que la velocidad de vibracin lmite tambin puede variar con la distancia, en tanto en cuanto la frecuencia vara con ella y los criterios de limitacin se expresan en funciones directamente proporcionales de la frecuencia y la velocidad de vibracin).

Figura 3.- Grfico de la ley de amortiguacin de un estudio de vibraciones

2.4 TCNICAS DE REDUCCIN DE LAS VIBRACIONES

En base a los resultados de los controles y estudios de vibraciones, con el conocimiento de las tcnicas bsicas de voladuras y empleando los nuevos explosivos y sistemas de iniciacin (detonadores secuenciados, incluso de tipo electrnico), es posible realizar diseos de voladuras que reduzcan a niveles imperceptibles (para las estructuras y para las personas) las vibraciones generadas en las voladuras. Aunque es imposible definir una receta universal, ya que cada caso es singular, s es posible definir unas pautas generales de reduccin de vibraciones actuando sobre el diseo de las voladuras que, en la mayor parte de los casos, son de aplicacin.

Estas pautas son:

1. En primer lugar, reduccin de la carga operante de las voladuras, bien sea mediante:

la reduccin del dimetro de perforacin de los barrenos

la reduccin de la altura de banco en la excavacin

cuando ni lo uno ni lo otro sea posible, por causas operativas (altura de banco definida de antemano en una explotacin o dimetro de perforacin fijado por la maquinaria disponible o por los niveles de produccin requeridos), es posible llevar a cabo el seccionado de cargas dentro de un barreno, hacindolas detonar en tiempos distintos

una herramienta imprescindible para lograr la reduccin de la carga operante es el empleo de detonadores secuenciadores, que permiten la detonacin de todas y cada una de las cargas que componen una voladura en un tiempo distinto. Los cuatro tipos generales de detonadores que permiten esto son:

conectadores secuenciados para cordn detonante (rels de microrretardo): de 15, 25, y 80 milisegundos

detonadores elctricos de retardo (serie de 13 detonadores, retardados 500 milisegundos entre detonador y detonador) y detonadores elctricos de microrretardo (serie de 24 detonadores, retardados 30 milisegundos entre detonador y detonador)

detonadores no elctricos de retardo (serie de 26 detonadores, retardados progresivamente desde 100 milisegundos a 1 segundo entre detonador y detonador), detonadores no elctricos de microrretardo (serie de 20 detonadores, retardados 25 milisegundos entre detonador y detonador) y conectadores no elctricos de 9, 17, 25, 42, 67, 100, 150 y 200 milisegundos.

detonadores electrnicos, programables desde 1 milisegundo a 25 segundos, en incrementos de 1 milisegundo; estos detonadores estn suponiendo una revolucin en el diseo de voladuras para combatir las vibraciones, ya que introducen una versatilidad muy grande, que hace que se pueda adaptar el tiempo de cada carga a la amplitud y frecuencia deseadas.

Es importante no confundir la reduccin de la carga operante con la carga mxima de la voladura, ya que es posible realizar una voladura de gran tamao con cargas operantes reducidas.

Tambin es importante no confundir la carga operante con la carga especfica; si sta se reduce mucho, puede ocurrir que no se produzca arranque de material y la mayor parte de la energa se emplee en generar vibraciones, producindose el resultado inverso al buscado (como ya se indic al principio, cuanto ms confinada est una voladura, ms vibraciones genera sta).

2. A continuacin, ajustar la secuenciacin a las frecuencias predominantes del terreno. Los detonadores secuenciadores ofrecen una versatilidad suficiente (mejorada con los detonadores electrnicos) como para adaptar la secuencia de detonacin de las cargas de las voladuras a la frecuencia predomnate del terreno en el punto de medida. Una variante de esta medida correctora es focalizar el tren de ondas en el sentido inverso a la posicin de la estructura.

3. Otra medida preventiva es crear o aprovechar pantallas o discontinuidades entre el macizo rocoso donde se lleva a cabo la voladura y la estructura a proteger. En este sentido, se est extendiendo la tcnica del precorte para crear ese tipo de discontinuidad (si bien tiene otros inconvenientes de confinamiento de cargas que hay que tener en cuenta al disearlo, para no provocar males mayores con el precorte que con la voladura principal). Tambin se pueden aprovechar las caras libres de los bancos, orientando la salida de la voladura de tal manera que las vibraciones viajen preferentemente en sentido contrario a la posicin de la estructura a preservar.

4. Por ltimo, de forma genrica, indicar que esquemas de perforacin y voladura equilibrados con cargas ajustadas al arranque y fragmentacin deseados y con secuenciaciones adecuadas suelen ser sinnimo de voladuras de calidad y con escasas vibraciones generadas, siendo preciso emplear los criterios y frmulas de clculo internacionalmente usadas para llegar a estos diseos.

3 ONDA AREA

3.1 INTRODUCCIN

La onda area, es un efecto secundario indeseable, que se produce en la detonacin de cualquier explosivo.

Las grandes voladuras, pueden producir ondas areas capaces de llegar a grandes distancias, sobre todo, si las condiciones topogrficas y climatolgicas son favorables para la propagacin de stas. En cuanto a las pequeas voladuras, realizadas en las proximidades de ncleos urbanos, pueden actuar sobre las edificaciones prximas y ser molestas para las personas. No obstante, un adecuado conocimiento del fenmeno por parte del tcnico responsable de las voladuras, puede ayudar a controlar y minimizar el nivel de la onda area, de forma que sta pase prcticamente desapercibida en el entorno.

3.2 GENERALIDADES

Dentro de la onda area (en Io sucesivo O.A.) se puede separar el concepto de ruido como aquella fraccin de la O.A. que es capaz de percibir el odo humano.

La O.A. como tal sobrepresin puede actuar sobre las estructuras que encuentre a su paso y puede ser molesta para las personas, ambos puntos se comentarn ms adelante.

Los parmetros fundamentales que definen la O.A. son:

Nivel o amplitud (dB lineal)

Frecuencia (Hz)

Duracin (s)

3.2.1 NIVEL O AMPLITUD

La O.A es una sucesin de pequeas variaciones de presin en el aire. El valor del incremento o disminucin de esta presin de aire, en unidades de esta magnitud, es lo que se denomina nivel o amplitud.

Se suelen expresar los niveles de presin sonora en decibelios.

3.2.2 FRECUENCIA

La frecuencia se mide en hercios (Hz) e indica el nmero de variaciones de presin por segundo.

La gama de frecuencias detectables por el odo humano va desde unos 20 Hz a 20.000 Hz.

Por debajo de 20 Hz, la O.A. no es percibida pero puede inducir pequeas vibraciones en las edificaciones que encuentre a su paso.

3.2.3 DURACIN

La valoracin de los posibles efectos de la O.A., se basa en la energa acstica total recibida, la cual no solo depende del nivel, sino de la duracin.

3.3 ONDA AEREA GENERADA POR VOLADURAS

A pesar de que en muchos casos, las molestias causadas por la O.A. se asocian fundamentalmente al ruido, hay que tener en cuenta que la componente principal de la onda area generada por voladuras, es un ruido impulsivo de rango infrasnico, es decir, la mayor parte de la energa contenida en la O.A. es de baja frecuencia, y como se ver, tambin puede inducir pequeas vibraciones en las estructuras y sobre todo en los cristales de las ventanas.

La O.A. generada en voladuras, se produce como consecuencia de cinco fenmenos principalmente (Fig. 4):

1. Vibracin, fragmentacin y desplazamiento de la roca en la cara del frente.

2. Vibracin del suelo.

3. Escape de los gases de explosin a travs de las fisuras de la roca.

4. Escape de los gases a travs del retacado.

5. Detonacin de explosivo al aire.

Figura 4: Fuentes de onda area en las voladuras

Si la voladura est correctamente diseada, el primero de los fenmenos, ser el predominante en la generacin de ondas areas.

La componente vertical de la vibracin del suelo, hace que toda el rea acte como un gran pistn vibrante, que en su movimiento genera un pulso de presin que llamaremos de roca. Entre la velocidad de vibracin vertical v y la presin de roca P existe una relacin dada por la expresin:

v1054,0=P6-

donde P viene en kg/cm2 y v en mm/s.

Este pulso de presin de roca es el de menor amplitud y todas las componentes de la O.A., y su frecuencia es idntica a la de la vibracin del suelo, su llegada al captador es simultnea con la vibracin y anterior al pulso de presin de aire.

La presin debida al escape de los gases a travs de las fisuras de la roca y del retacado es la ms significativa, pero tericamente la que mejor se puede controlar, ya que depende de los parmetros de la voladura tales como: retacado, piedra, espaciamiento y velocidad de detonacin. Tambin se generan detonaciones que tienen lugar en unos pocos milisegundos, la energa desarrollada es de frecuencia alta. En los registros, el pico o serie de picos aparecen superpuestos sobre el pulso de presin de aire de longitud de onda ms larga.

En ensayos en los que se ha registrado la seal a diferentes distancias se encontraron las siguientes leyes:

componente de alta frecuencia:

2,2-

3/1

m

))kg(Q

)m(D(179191=)Pa(P

Qm = carga por micro

componente de baja frecuencia:

27,1-

3/1

t

))kg(Q

)m(D(5,1778=)Pa(P

Qt = carga total

En las leyes anteriores, inicialmente predominan las altas frecuencias amortigundose muy rpidamente, y dominando las bajas frecuencias a distancias largas.

3.4 TCNICAS DE REDUCCIN DE LA ONDA AREA

La longitud de retacado, el valor de la piedra y el espaciamiento, son los principales factores (si no existen fisuras) que determinan el grado de confinamiento. Con un buen retacado los pulsos originados por el escape de los gases pueden llegar a ser el 10 por 100 del valor de los originados por el desplazamiento de la roca, y sin retacado llegan a 2,5 veces dicho valor. Las cargas espaciadas no disparadas simultneamente suelen producir mayor onda area a igual cantidad de carga, ya que las primeras cargas detonadas provocan prdidas de retacado o al menos la fisuracin del barreno, y por Io tanto las cargas posteriores detonan con menor confinamiento.

La onda generada por el cordn detonante es de alta frecuencia y gran intensidad. Sus efectos se hacen sentir a distancias no muy grandes. En todo caso, resulta sencillo reducir o eliminar sus efectos. Si se cubre, por ejemplo, un cordn de 20 g/m con 10 cm de arena se reduce su intensidad en 20 dB, y si se cubre con 30 cm, se consigue prcticamente el confinamiento total.

Tiempos de secuenciacin: Al proceder al disparo de dos o ms barrenos, pueden producirse efectos de reforzamiento por la adicin de dos o ms sonidos, que no se corresponde con la suma aritmtica de los niveles de ruido expresados en decibelios, y correspondientes a cada uno de los barrenos.

Por ltimo y aceptando que todas las voladuras generan O.A., a veces sta se puede disminuir con un control de la perforacin y carga de la voladura y una adaptacin del esquema al tipo de roca cambiante de la explotacin. (Ver figura 5).

Figura 5: causas ms frecuentes de onda area y su solucin

3.5 EFECTO DE LA O.A. SOBRE EL ENTORNO

3.5.1 SOBRE LAS ESTRUCTURAS

Las voladuras generan una onda area con gran proporcin de bajas frecuencias que pueden inducir vibraciones en los edificios, aunque no se escuchen por ser infrasnicas. De cualquier manera los efectos de la O.A. raramente suelen ser dainos salvo en casos remotos de rotura de cristales; aspecto que se discute a continuacin.

Considerando los cristales de las ventanas como el elemento ms frgil de cualquier edificacin, se realiz un trabajo experimental con 86 cristales de diferentes tamaos y espesores para estudiar los niveles de O.A. que producan su rotura. Se comprob que tena mucha ms influencia el espesor que el tamao del cristal y que la rotura era mucho ms fcil con la ventana cerrada que abierta, Estos resultados se plasmaron en la siguiente ecuacin:

07,0-1,0035,0-R175el=dB

Siendo:

dB = Nivel de onda area en dB pico para producir la rotura.

l = Mayor dimensin del cristal en cm.

e = Espesor del cristal en mm.

R = 1 para un 50% de riesgo de rotura.

R = 3,5 para un 1% de riesgo de rotura.

R = 7,3 para un 0,1% de riesgo de rotura.

Un breve clculo con un tipo convencional de cristales (l = 100 cm, e = 3 mm y R = 7,3) da un nivel de O.A. de 144 dB para un riesgo del 1 por mil de rotura. Este valor de O.A. es lo suficientemente alto como para pensar que es muy difcil causar daos con la O.A. en voladuras convencionales.

Desde el punto de vista de las estructuras las grandes longitudes de onda que presentan las ondas areas generadas por voladuras tienen un efecto menos perjudicial sobre las mismas dado que se equilibran las presiones tanto en la parte anterior como en la posterior de la estructura y esto tiende a disminuir los efectos que dicha onda area podra tener sobre la misma.

3.5.2 SOBRE LAS PERSONAS

Independientemente del efecto psicolgico y subjetivo que un ruido impulsivo pueda tener sobre una persona y desde un punto de vista fisiolgico el extenso trabajo existente sobre tolerancia ante impulsos de corta duracin producidos por armas de fuego, pueden ser aplicados al problema de la onda area, considerando las similitudes y diferencias pertinentes.

Pero hay que distinguir entre ruido continuo, que es aqul cuya duracin es superior a un segundo y que ha sido ms estudiado, y ruido impulsivo, cuya duracin es menor de un segundo, como sucede con las voladuras.

Criterio Bureau of Mines

Establece unos lmites tomando como referencia no solo la posibilidad de originar daos, sino tambin en base a la probabilidad estadstica de originar quejas. As, mientras la comisin NSWC/DL de la Marina Norteamericana, establece un lmite mximo admisible

de 140 dB. El Bureau of Mines marca niveles de riesgo en base a estadsticas realizadas en ncleos habitados prximos a voladuras.

Medida Lineal Pico (dB)

Nivel seguro 128

Nivel de precaucin 128-136

Lmite permisible 136

3.6 INSTRUMENTACION Y METODOS DE MEDIDAS

Para las medidas de ondas areas es necesario el empleo de un instrumental adecuado que a veces no coincide con la instrumentacin empleada en ruidos urbanos, ruidos en fbricas, etc. Esto es debido a que las frecuencias que se pueden detectar en una voladura son inferiores a 10 Hz con lo cual es imprescindible poseer un equipo que sea capaz de medir ondas de muy baja frecuencias.

En cualquier equipo de este tipo podemos destacar el micrfono o sensor receptor de las ondas de presin y que transforma esta presin en impulsos elctricos. Por ltimo est la salida o equipo de registro para visualizar la seal recibida.

En el apartado de micrfonos podemos hablar de los micrfonos de cristal o micrfonos piezoelctricos, en los cuales la presin exterior ejercida sobre el cristal, se transforma en una seal elctrica, proporcional a dicha presin.

Este tipo de micrfonos es especialmente apropiado para niveles de presin altos y tiene la ventaja de que suelen presentar una buena respuesta a muy bajas frecuencias.

Otro factor a considerar es la direccionalidad del micrfono. En nuestro caso y dado que el foco, es decir, la voladura, suele ser muy localizado es preferible un micrfono direccional.

Posteriormente a los micrfonos estn las etapas de amplificacin y de filtrado, etapas cuya misin es adaptar la seal a niveles que puedan ser reflejados en cualquier tipo de registrador.

Generalmente los equipos para la medida del sonido suelen denominarse sonmetros aunque se pueden adoptar soluciones mixtas en las cuales el sensor (micrfono) enva la seal a cualquier otro tipo de registrador.

Para la realizacin de la medicin de una onda area es necesario la colocacin apropiada del sensor sin que este pueda ser apantallado por objetos. Asimismo, es fundamental no situar el micrfono muy cerca de una pared o un objeto rgido dado que la reflexin de la onda puede generar un valor en presin doble del real. Si fuera necesario realizar la medida cerca de un objeto slido habra que disminuir en 6 dB dicha medida para tener el valor real.